仿人機器人的現狀研究

摘 要：介紹了仿人機器人研究情況，對仿人機器人根據驅動形式的不同，分別就伺服電機加諧波齒輪驅動、繩索肌腱驅動、氣動人工肌肉驅動和液壓驅動等四個方面的仿人機器人進行介紹，最后對目前仿人機器人的現狀進行了總結。

關鍵詞：仿人機器人;研究現狀

仿人機器人已經成為衡量一個國家機器人發展水平的重要標志，仿人機器人在機構原理、控制理論與技術、試驗研究、步行速度穩定和集成系統等方面快速發展，從基礎研究到應用研究，從表情仿人頭、仿人快步走步行機構和多指手等局部研究到整體仿人設計，仿人機器人的研究越來越深入，涉及的領域也越來越廣。

1 2000年以前的仿人機器人研究情況

2000年以前的仿人機器人研究主要是局部研究，主要包括雙足穩定動步行控制、全自立仿人機器人集成、仿人表情、多指靈巧手和類人猿機器人等方面。

1.1 雙足穩定動步行控制

1971年日本加藤一郎成功研制世界第一臺雙足步行機，1972年世界著名機器人專家Vukobratovic等提出ZMP的概念，為穩定雙足動步行理論和實踐提供了基礎。

1.2 仿人表情機器人

美國Paul Ekman等人提出的FACS原理，把“表情智能”應用于人工神經網絡，推出了表情視覺識別技術。日本專家原文雄1993年首次提出應用在機器人上的6種面部表情“AHI”。從1996年開始，日本早稻田大學在可變臉色和面部皮膚對光強影響方面實驗，實現了面部顏色表情的感知功能，陸續研制出“WE-3R”、“WE-3RIV”和“WE-4RIV”等表情機器人。我國1996年哈工大的蔡鶴皋教授和吳偉國教授研發“演講機器人”，1999年MIT研制出“Kismet”。這些機器人的表情不豐富，頭部未集成化，還有待發展。

1.3 仿人多指靈巧手

1974年日本研制出OKADA三指靈巧手;1980年MIT和猶太大學聯合研制出四指靈巧手Utah-MIT Hand ;1984年Nakano等研制Hitachi四指靈巧手;1999年德國宇航中心Hirzinger等研制出DLR-Ⅰ四指靈巧手;1999年美國研制出NASA Robonaut五指靈巧手。我國的北京航空航天大學也在1993年研制出BUAA-Ⅰ三指靈巧手。

1.4 全自立仿人機器人集成技術

1996年前的雙足步行機構主要利用電動和氣動液壓技術配合滾珠絲杠、連桿機構和齒輪等機械部件，非常笨重，限制了移動速度。日本本田技研的P2、P3型機器人都是仿人機器人集成技術的代表。

1.5 多移動方式類人猿機器人

1991年起，日本福田敏男研發了Brachiator Ⅱ和Brachiator Ⅲ。1999年我國吳偉國博士研制出第一臺類人猿機器人Gorilla robotⅠ。這些機器人具備高移動作業能力和環境適應性，但都是非集成化的。

2 2000年后的仿人機器人

2000年后的仿人機器人的驅動形式有伺服電機加諧波齒輪傳動、液壓驅動、氣動人工肌肉驅動和繩驅動等。下面分別對不同驅動形式的機器人進行論述。

2.1 伺服電機加諧波齒輪傳動的仿人機器人

以伺服電機加諧波齒輪傳動為主的仿人機器人是目前仿人機器人研發的重要形式之一，目前有ASIMO、HRP、WABIAN、HUBO等系列。

1）ASIMO? ASIMO是本田技研研制的一款仿人機器人，54個自由度，采用I-WALK技術，步行速度最大9km/h。

2）HRP系列? HRP是日本實施的“與人協調、共存的仿人機器人系統研發項目”5年計劃。1998年開始逐步完成了HRP-1機器人，面向遙操作/虛擬機器人平臺V-HRP和HRP仿人機器人，以及Open-HRP軟件平臺的研制成功對機器人硬件設計和研發有重要意義，使得未來機器人可以在工廠維護、維修、看護照料病人、家庭安全服務、建筑機械遙操作中得以應用。

3）韓國KAIST的HUBO、Albert HUBO、DRC-HUBO機器人。韓國先端科技研究院KAIST從2003年到2013年先后研制出KHR-1、2、3以及MAHRU、AIbert HUBO、DRC-HUBO等多種仿人機器人。

2.2 氣動人工肌肉驅動的仿人機器人

法國LMS研究室2000年研制BIP2000和比利時布魯塞爾自由大學2006年成功研制的Lucy是氣動人工肌肉機器人的代表。BIP2000能實現靜步走，有15個自由度，有較強的穩定性。

2.3 液壓驅動的新型仿人機器人

典型的液壓仿人機器人由日本科技研究中心與2007年研制的CB和美國波士頓公司于2011年研發的Petman。CB采用主被動控制，共有50個自由度，其中主動自由度有34個。

2.4 繩索肌腱驅動的肌肉骨骼型新型仿人機器人

目前代表性的繩索機器人有：單腿機器人、Kenzoh、Kojiro、Kenshiro、Kotaro等。東京大學JSK在2010年研制的Kenzoh采用繩驅動的關節剛度調整機構，雖然關節剛度可調，但每個關節需要兩個電動機和兩個非線性彈簧模塊，而且出力不能驅動腿部關節。

3 我國仿人機器人研究的現狀

2000年，國防科技大學成功研制了我國第一臺仿人機器人“先行者”。國內各大學相繼研究出一些仿人機器人：清華大學的THBIP、Stepper機器人;哈爾濱工業大學的GoRoBoT-Ⅱ型類人猿機器人和仿人機器人GoRoBoT-Ⅲ;浙江大學的“悟”、“空”機器人;北京理工大學的BHR-Ⅱ機器人等。

4 結論

目前國內外研制的仿人機器人與人還相差很遠，很大程度上還是動作行為與情感生硬的“機器”，在環境適應性、柔順性、精確性、心性和情感、機體組成和自學習能力等方面還有待完善。仿人機器人的研究平臺建設、傳感系統研究、智能學習算法和人工智能等方面將是仿人機器人研究重心。我國的仿人機器人與美、日、韓等國還有一定差距，仍需要進一步研究。

參考文獻

[1]柯顯信，柏垠，唐文彬.仿人面部表情機器人研究現狀與展望[J].機械設計，2009，26（11）.

[2]鄭嫦娥，錢樺.仿人機器人國內外研究動態[J].機床與液壓，2006，（3）.

[3]吳偉國.面向作業與人工智能的仿人機器人研究進展[J].哈爾濱工業大學學報，2015，47（7）.

作者簡介

鄭利霞，車輛工程專業碩士，講師。